CN107569361B - 一种外骨骼式踝关节康复训练机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于康复医疗器械领域，主要由支撑机构、背伸/跖屈机构、内翻/外翻机构和内旋/外旋机构组成。主要能完成脚踝部背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋三个自由度的训练，其中内旋/外旋运用的是齿轮传动机构，电机通过小齿轮将动力传递到经改造后的大齿轮上促使其在半圆形滑道上滑动；而背伸/跖屈和内翻/外翻的训练是通过改造后的铰链四杆机构来完成，前者利用丝杠和螺母组成的直线往复运动与改进的曲柄和滑块组成的旋转运动相结合，用直线往复运动来带动旋转运动；后者对铰链四杆机构进行改进，固定铰接部位改用十字轴与万向节连接，从而释放了内翻/外翻的旋转自由度，通过把结合升降电机与关节轴承相结合，实现内翻/外翻训练。

Description

一种外骨骼式踝关节康复训练机器人

技术领域

本发明涉及一种康复医疗设备，尤其涉及一种外骨骼式踝关节康复训练机器人。可用于脚踝部运动损伤或者偏瘫患者的脚踝部主动、被动、助力康复训练。

背景技术

在日常的生活和体育锻炼中，踝关节的损伤十分常见，一份关于运动损伤的研究报告中显示：有20％到40％的运动损伤发生在踝关节。体操运动中，11％左右是伤到踝关节；篮球或者足球比赛中，35％左右是伤到踝关节；田径运动中，38％左右是伤到踝关节。目前老龄化问题已经成为一个世界性问题而且随着时间的推移也越发突出，尤其是我国老龄化问题更为显著，调查显示我国60岁以上的老年人已经超过1.5亿，而且伴随着年龄的增长，在老年群体中中风是一种高发病率的疾病，而中风患者多半会有偏瘫等后遗症，因此针对老年人偏瘫的康复训练尤为重要。而大部分肢体损伤的的患者都需要专业的理疗师进行康复训练，这给患者带来了巨额的医疗费用，而且专业理疗师人数有限，不能进行给患者带来十分周全的康复训练。因此需要设计出一种脚踝部康复训练机器人来帮助患者进行康复训练。

目前国内所研究的踝关节康复训练机器人存在的缺点在于：1.外骨骼式脚踝部康复训练机器人运动自由度只能背伸/跖屈康复训练，或者只能满足背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋中的两个，不能满足实际康复训练的要求；2.对外骨骼式脚踝康复训练机器人的研究极少，目前市场上没有出现外骨骼式脚踝部康复训练机器人；3.国内研究比较成熟的并联式脚踝康复训练机器人与人体踝关节运动轴线不重合，不适合实际脚踝康复训练，容易造成二次损伤。

发明内容

针对国内对外骨骼式脚踝康复训练机器人的研究欠缺，本发明提出一种外骨骼式踝关节康复训练机器人。

本发明克服了现有技术的不足，提供了一种外骨骼式踝关节康复训练机器人，它具有三个自由度，包括脚踝部的：背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋，同时运动轴线与人体踝关节运动轴线重合，能够避免踝关节二次损伤。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

所述外骨骼式脚踝康复训练机器人由支撑机构、背伸/跖屈训练机构、内翻/外翻训练机构和内旋/外旋训练机构组成。

支撑机构是由起固定作用的经改造后的由半圆形滑道组成的固定端坐，其中固定端坐顶端伸出部分与装置固连在一起，起到固定、定位以及支撑整个机构负载的作用。

背伸/跖屈训练机构：主要分为三个模块，第一个模块是铰链四杆机构，第二个模块是滚珠丝杠机构，第三个模块是万向机构。其中铰链四杆机构由脚踏板、附带万向节的长连杆、滑块、直线型滑道、附带万向节的短连杆组成；滚珠丝杆机构由丝杠、丝母、丝母底座、角接触球轴承、第一电机、联轴器组成；万向机构是由附带万向节的长连杆、附带万向节的短连杆、十字轴组成。第一电机的输出端通过联轴器与丝杠相连，丝杠旋转带动丝母在丝杠上做往复直线运动，丝母与丝母底通过螺钉固连，丝母底座安装在滑块上，直线型滑道安装在附带万向节的长连杆上，丝母在丝杠上的直线型往复运动就转化成了滑块在直线型滑道上的直线型往复运动，丝母底座又与附带万向节的短连杆通过双头螺柱相连，附带万向节的短连杆的万向节端通过十字轴与脚踏板相连，脚踏板同时又与附带有万向节的长连杆通过十字轴相连，从而使得第一电机通过联轴器传递到丝杠上的动力，转化成丝母在丝杠上的直线型往复运动，丝母又通过丝母底座将丝母在丝杠上的直线型往复运动转化为滑块在直线型滑道上的直线型往复运动，滑块同时又带动附带有万向节的短连杆运动，附带有万向节的短连杆通过十字轴带动脚踏板绕固定轴线的旋转运动，也就完成了脚踝部背伸/跖屈的康复运动动作。

内翻/外翻训练机构：主要分为两个模块，第一个模块就是解除传统曲柄滑块机构对其运动杆件在曲柄滑块运动平面垂直方向的旋转自由度，我们暂时称之为万向机构；第二个模块是运动机构。其中万向机构包括万向节、十字轴、附带万向节的短连杆、附带万向节的长连杆组成；运动机构包括第二电机、小型升降机、杆端关节轴承、球端关节轴承、脚踏板组成。第二电机带动小型升降机实现往复的伸缩运动，小型升降机的伸出部位机构通过改造用螺纹连接插入杆端关节轴承内部，杆端关节轴承与球端关节轴承连接，同样，球端关节轴承也是通过螺纹连接插入脚踏板，当第二电机运动时，通过小型升降机将电机的旋转运动转化为了小型升降机的往复伸缩运动，小型升降机的往复运动又通过球端关节轴承和杆端关节轴承将运动转化为脚踏板绕万向机构的十字轴的一个轴线的往复摆动，实现了脚踝部的内翻/外翻运动。

内旋/外旋训练机构：该机构主要由固定端坐、改造后的大齿轮、小齿轮、第三电机组成。第三电机自身配备有减速器与小齿轮通过销连接，小齿轮与改造后的大齿轮啮合，改造后的大齿轮安装在固定端坐上的半圆形滑道上，第三电机通过减速器将动力传递到小齿轮，小齿轮又将动力传递到改造后的大齿轮，使得改造后的大齿轮在半圆形滑道上滑动，实现了脚踝部的内旋/外旋运动。

所述改进的曲柄滑块能够实现了在背伸/跖屈的运动利用铰链四杆机构的同时，还能实现内翻/外翻运动绕背伸/跖屈铰接轴线的旋转运动。

所述外骨骼式踝关节康复训练机器人能够实现人体脚踝康复训练三个自由度的运动要求。

本发明的有益效果为：

本发明实现了脚踝关节在X、Y、Z轴的转动，能够模拟再现脚踝部的背伸/跖屈、内翻/外翻、内旋/外旋的康复训练动作，并且克服了并联式脚踝康复训练机器人的康复运动旋转轴线与人体脚踝部运动轴线不重合的问题，避免患者在康复训练时引起二次损伤，同时也克服了外骨骼式脚踝康复训练机器人运动自由度达不到脚踝部实际康复训练的要求，并且单支脚踝康复训练只有三个电机控制简单，能够完成脚踝部的主动、被动、助力康复训练。

附图说明

图1为外骨骼式脚踝康复训练机器人主视图；

图2为外骨骼式脚踝康复训练机器人俯视图；

图3为外骨骼式脚踝康复训练机器人左视图；

图4为外骨骼式脚踝康复训练机器人斜侧图；

图中编号：

1-杆端关节轴承；2-球端关节轴承；3-十字轴；4-脚踏板；5-带万向节的长连杆；6-带万向节的短连杆；7-万向节；8-第一电机；9-M10螺钉；10-轴承座；11-角接触球轴承；12-丝杠；13-丝母；14-丝母底座；15-滑块；16-滑道；17-联轴器；19-第二电机；20-连接端坐；21-M20螺母；22-小齿轮；23-销钉；24-大齿轮；25-固定端坐；26-第三电机；27-M4内六角螺钉；28-M10双头螺柱；29-小型升降机。

具体实施方式

本发明提供了一种下肢康复训练机器人，下面结合图形和具体实施方式对本发明进一步说明。

本发明的结构如图1、图2、图3和图4所示，主要分为支撑机构、背伸/跖屈训练机构、内翻/外翻训练机构和内旋/外旋训练机构四个部分。

所述支撑部分包括支撑机构是由起固定作用的经改造后的由半圆形滑道组成的固定端坐25，其中固定端坐顶端伸出部分与装置固连在一起，起到固定、定位以及支撑整个机构负载的作用。

背伸/跖屈训练机构：主要分为三个模块，第一个模块是铰链四杆机构，第二个模块是滚珠丝杠机构，第三个模块是万向机构。其中铰链四杆机构由脚踏板4、附带万向节的长连杆5、滑块15、直线型滑道16、附带万向节的短连杆组成6；滚珠丝杆机构由丝杠12、丝母13、丝母底座14、角接触球轴承11、第一电机8、联轴器17组成；万向机构是由附带万向节的长连杆5、附带万向节的短连杆6、十字轴3组成。第一电机8的输出端通过联轴器17与丝杠12相连，丝杠12旋转带动丝母13在丝杠12上做往复直线运动，丝母13与丝母底座14通过螺钉固连，丝母底座14安装在滑块15上，直线型滑道16安装在附带万向节的长连杆5上，丝母13在丝杠12上的直线型往复运动就转化成了滑块15在直线型滑道上16的直线型往复运动，丝母底座14又与附带万向节的短连杆6通过双头螺柱28相连，附带万向节的短连杆6的万向节7端通过十字轴3与脚踏板4相连，脚踏板4同时又与附带有万向节的长连杆5通过十字轴3相连，从而使得第一电机8通过联轴器17传递到丝杠12上的动力，转化成丝母13在丝杠12上的直线型往复运动，丝母13又通过丝母底座14将丝母13在丝杠12上的直线型往复运动转化为滑块15在直线型滑道16上的直线型往复运动，滑块15同时又带动附带有万向节的短连杆6运动，附带有万向节的短连杆6通过十字轴3带动脚踏板4绕固定轴线的旋转运动，也就完成了脚踝部背伸/跖屈的康复运动动作。

内翻/外翻训练机构：主要分为两个模块，第一个模块就是解除传统曲柄滑块机构对其运动杆件在曲柄滑块运动平面垂直方向的旋转自由度，我们暂时称之为万向机构；第二个模块是运动机构。其中万向机构包括万向节7、十字轴3、附带万向节的短连杆6、附带万向节的长连杆5组成；运动机构包括第二电机19、小型升降机、杆端关节轴承1、球端关节轴承2、脚踏板4组成。第二电机19带动小型升降机实现往复的伸缩运动，小型升降机的伸出部位机构通过改造，用螺纹连接插入杆端关节轴承1内部，杆端关节轴承1与球端关节轴承2连接，同样，球端关节轴承2也是通过螺纹连接插入脚踏板4，当第二电机19运动时，通过小型升降机将电机的旋转运动转化为了小型升降机的往复伸缩运动，小型升降机的往复运动又通过球端关节轴承2和杆端关节轴承1将运动转化为脚踏板4绕万向机构的十字轴3的一个轴线的往复摆动，实现了脚踝部的内翻/外翻运动。

内旋/外旋训练机构：该机构主要由固定端坐25、改造后的大齿轮24、小齿轮22、第三电机26组成。第三电机26自身配备有减速器与小齿轮22通过销连接，小齿轮22与改造后的大齿轮24啮合，改造后的大齿轮24安装在固定端坐25上的半圆形滑道上，第三电机26通过减速器将动力传递到小齿轮22，小齿轮22又将动力传递到改造后的大齿轮24，使得改造后的大齿轮24在半圆形滑道上滑动，实现了脚踝部的内旋/外旋运动。

本实施例整体外形尺寸长×宽×高＝229mm×391mm×684mm。

Claims (3)

1.一种外骨骼式踝关节康复训练机器人，由支撑机构、背伸/跖屈训练机构、内翻/外翻训练机构和内旋/外旋训练机构组成；其特征在于：

支撑机构是由起固定作用的经改造后的由半圆形滑道组成的固定端坐(25)，其中固定端坐(25)顶端伸出部分与装置固连在一起，起到固定、定位以及支撑整个机构负载的作用；

背伸/跖屈训练机构：主要分为三个模块，第一个模块是铰链四杆机构，第二个模块是滚珠丝杠机构，第三个模块是万向机构；其中铰链四杆机构由脚踏板(4)、附带万向节的长连杆(6)、滑块(15)、直线型滑道(16)、附带万向节的短连杆(5)组成；滚珠丝杆机构由丝杠(12)、丝母(13)、丝母底座(14)、角接触球轴承(11)、第一电机(19)、联轴器(17)组成；万向机构是由附带万向节的长连杆(6)、附带万向节的短连杆(5)、十字轴(3)组成；第一电机(19)的输出端通过联轴器(17)与丝杠(12)相连，丝杠(12)旋转带动丝母(13)在丝杠上做直线型往复运动，丝母(13)与丝母底座(14)通过螺钉固连，丝母底座(14)安装在滑块(15)上，直线型滑道(16)安装在附带万向节的长连杆(6)上，丝母(13)在丝杠(12)上的直线型往复运动就转化成了滑块(15)在直线型滑道(16)上的直线型往复运动，丝母底座(14)又与附带万向节的短连杆(5)通过双头螺柱(28)相连，附带万向节的短连杆(5)的万向节端通过十字轴(3)与脚踏板(4)相连，脚踏板(4)同时又与附带有万向节的长连杆(6)通过十字轴(3)相连，从而使得第一电机(19)通过联轴器(17)传递到丝杠(12)上的动力，转化成丝母(13)在丝杠上的直线型往复运动，丝母(13)又通过丝母底座(14)将丝母(13)在丝杠(12)上的直线型往复运动转化为滑块(15)在直线型滑道上的直线型往复运动，滑块(15)同时又带动附带有万向节的短连杆(5)运动，附带有万向节的短连杆(5)通过十字轴(3)带动脚踏板绕固定轴线的旋转运动，也就完成了脚踝部背伸/跖屈的康复运动动作；

内翻/外翻训练机构：主要分为两个模块，第一个模块是万向机构，它解除了传统曲柄滑块机构对其运动杆件在曲柄滑块运动平面垂直方向的旋转自由度；第二个模块是运动机构；其中万向机构包括万向节(7)、十字轴(3)、附带万向节的短连杆(5)、附带万向节的长连杆(6)组成；运动机构包括第二电机(8)、小型升降机(29)、杆端关节轴承(1)、球端关节轴承(2)、脚踏板(4)组成；第二电机(8)带动小型升降机(29)实现往复的伸缩运动，小型升降机(29)的伸出部位机构通过改造用螺纹连接插入杆端关节轴承(1)内部，杆端关节轴承(1)与球端关节轴承(2)连接，同样，球端关节轴承(2)也是通过螺纹连接插入脚踏板(4)，当第二电机(8)运动时，通过小型升降机(29)将电机的旋转运动转化为了小型升降机(29)的往复伸缩运动，小型升降机(29)的往复运动又通过球端关节轴承(2)和杆端关节轴承(1)将运动转化为脚踏板(4)绕万向机构的十字轴(3)的一个轴线的往复摆动，实现了脚踝部的内翻/外翻运动；

内旋/外旋训练机构：该机构主要由固定端坐(25)、改造后的大齿轮(24)、小齿轮(22)、第三电机(26)组成；第三电机(26)自身配备有减速器与小齿轮(22)通过销连接，小齿轮(22)与改造后的大齿轮(24)啮合，改造后的大齿轮(24)安装在固定端坐(25)上的半圆形滑道上，第三电机(26)通过减速器将动力传递到小齿轮(22)，小齿轮(22)又将动力传递到改造后的大齿轮(24)，使得改造后的大齿轮(24)在半圆形滑道上滑动，实现了脚踝部的内旋/外旋运动。

2.根据权利要求1所述的一种外骨骼式踝关节康复训练机器人，其特征在于，通过对传统曲柄滑块的升级改造，利用了万向节(7)、十字轴(3)、附带万向节的短连杆(5)、附带万向节的长连杆(6)的结合，实现了在背伸/跖屈的运动利用铰链四杆机构的同时，还能实现内翻/外翻运动绕背伸/跖屈铰接轴线的旋转运动。

3.根据权利要求1所述的一种外骨骼式踝关节康复训练机器人，其特征在于，其实现了外骨骼式踝关节康复训练机器人在脚踝康复训练过程中的三个自由度的运动要求，同时保证了运动轴线与人体踝关节运动轴线重合，能够避免踝关节二次损伤。